基于協(xié)同克里格的耕層土壤速效鉀空間異質(zhì)性研究

江葉楓，郭 熙

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省鄱陽(yáng)湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045)

土壤是有限且不可再生的自然資源，在提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。為維護(hù)自然資源以支持未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展，亟須改善和維護(hù)土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[3]。土壤屬性的變化與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的可持續(xù)性息息相關(guān)，土壤侵蝕、土壤酸化、土壤重金屬污染與土壤養(yǎng)分供需不平衡等，都不可避免地會(huì)影響土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，降低土壤對(duì)人類(lèi)的支持能力[3-5]。土壤養(yǎng)分是土壤可持續(xù)利用和管理的重要基礎(chǔ)[3-4]。土壤速效鉀(AK)能夠直觀反映土壤鉀素水平和供應(yīng)能力，作為作物生長(zhǎng)周期內(nèi)可以獲取的主要養(yǎng)分，直接影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)[6]。近年來(lái)，由于各地區(qū)生產(chǎn)水平、耕作技術(shù)措施、種植制度和耕地資源利用強(qiáng)度不同，土壤速效鉀的空間異質(zhì)性普遍存在[7]。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和配方施肥技術(shù)的發(fā)展，土壤速效鉀的空間異質(zhì)性研究不斷深入[8]。準(zhǔn)確掌握土壤速效鉀的空間異質(zhì)性對(duì)科學(xué)制定配方施肥方案、保護(hù)土壤、實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用等具有重要意義[6-8]。

土壤是連續(xù)的，科學(xué)家難以檢測(cè)到每一處土壤的屬性值，不得不依賴于空間插值技術(shù)[9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要運(yùn)用克里格空間插值法對(duì)土壤屬性進(jìn)行空間插值并研究土壤屬性的異質(zhì)性[10-11]。該方法基于半變異函數(shù)，是對(duì)土壤屬性進(jìn)行的最優(yōu)無(wú)偏估測(cè)，能有效揭示土壤屬性空間分布和變異特征。其中，普通克里格法(ordinary Kriging，OK)只需要考慮目標(biāo)變量，簡(jiǎn)單易行，應(yīng)用廣泛，但插值結(jié)果在土壤屬性異質(zhì)性描述方面受采樣數(shù)量和密度的影響[7，12]。協(xié)同克里格法(co-Kriging，COK)是一種基于目標(biāo)變量與輔助變量的半變異函數(shù)，由于輔助變量與土壤屬性相關(guān)性較高，因而以這種方式生成的可視化圖通常能夠更加高效、客觀、真實(shí)地描述土壤屬性空間變異特征，在土壤屬性空間變異研究中越發(fā)受到研究人員的青睞[13-14]。

COK較OK能提高空間插值精度，但在土壤屬性的異質(zhì)性描述方面是否也較OK存在一定優(yōu)勢(shì)尚不清楚[13-14]。當(dāng)下，大部分研究對(duì)土壤屬性的異質(zhì)性描述仍處于定性分析層面，缺乏對(duì)影響因子作用的量化分析[7]。從相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，關(guān)于土壤性質(zhì)變異的影響因素定量分析報(bào)道仍存在明顯不足：1)對(duì)土壤屬性的輔助變量考慮不充分，地形因子因能較好地刻畫(huà)土壤性質(zhì)的地帶性分異規(guī)律而受到較大關(guān)注[12，15]，但僅少量學(xué)者定量分析了成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型等對(duì)土壤屬性空間異質(zhì)性的影響[11，16]；2)相關(guān)的定量研究較多針對(duì)土壤多種性質(zhì)或針對(duì)有機(jī)碳[17]、氮素[4]和磷素[18]等單一性質(zhì)，鮮見(jiàn)關(guān)于土壤鉀素的報(bào)道，特別是在我國(guó)耕地復(fù)種指數(shù)增高和土壤鉀素供應(yīng)嚴(yán)峻的背景下，對(duì)速效鉀變異的影響因素缺乏量化認(rèn)識(shí)[7]；3)不同區(qū)域COK輔助變量的選取各有不同，前人曾對(duì)川中丘陵[19]、黃土高原[20]、西北山區(qū)[21]和城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶[22]等進(jìn)行研究，而鄱陽(yáng)湖平原區(qū)則鮮見(jiàn)報(bào)道。

為此，本研究以鄱陽(yáng)湖平原區(qū)典型縣——萬(wàn)年縣為案例區(qū)，運(yùn)用測(cè)土配方施肥采集的耕層(0～20 cm)土壤樣品數(shù)據(jù)，以土壤速效鉀為研究對(duì)象，量化土壤速效鉀空間變異的影響因素，運(yùn)用OK和COK對(duì)土壤速效鉀的空間異質(zhì)性進(jìn)行研究。結(jié)果可為類(lèi)似地區(qū)土壤鉀素調(diào)控、土地可持續(xù)管理和利用，以及土壤屬性空間分布預(yù)測(cè)模型構(gòu)建提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于萬(wàn)年縣，屬鄱陽(yáng)湖平原區(qū)，地理坐標(biāo)介于116°46′—117°15′E、28°30′—28°54′N(xiāo)之間，總面積1 140.76 km2，東西長(zhǎng)47 km，南北寬43 km。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，地貌類(lèi)型以平原為主，呈“西北部高、東南部低”的總體趨勢(shì)(圖1-a)，海拔12～651 m。土類(lèi)主要是紅壤和水稻土，并伴隨有極少量的潮土、石灰土和紫色土，亞類(lèi)主要為紅壤和潴育型水稻土，土屬主要包括黃泥紅壤和鱔泥紅壤，潴育型潮砂泥田、潴育型黃泥田和潴育型鱔泥田。成土母質(zhì)包括紫色泥頁(yè)巖類(lèi)風(fēng)化物、第四紀(jì)紅色黏土、河流沖積物、泥質(zhì)巖類(lèi)風(fēng)化物、酸性結(jié)晶巖類(lèi)風(fēng)化物、碳酸巖類(lèi)風(fēng)化物和紫色砂礫巖類(lèi)風(fēng)化物。境內(nèi)水資源比較豐富，河流主要包括樂(lè)安河、珠溪河和萬(wàn)年河等182條，總長(zhǎng)806 km，河網(wǎng)密度707 m·km-2，年均降水量1 766 mm，年均無(wú)霜期263 d，年均相對(duì)濕度82%。土地利用分布格局為“六山一水二分田，一分道路和莊園”，耕地面積約為230 km2，耕層土壤pH介于4.5～7.0。萬(wàn)年縣是世界稻作文化的發(fā)源地，也是人工栽培稻起源地和貢米的原產(chǎn)地，被稱為“稻米之鄉(xiāng)”，傳統(tǒng)的稻米習(xí)俗已在該地傳承了幾千年，萬(wàn)年貢米是晚秈稻“塢源早”品種加工而成的產(chǎn)品，原只產(chǎn)于萬(wàn)年縣裴梅鎮(zhèn)部分鄉(xiāng)村，后經(jīng)種植推廣，截至2016年，萬(wàn)年縣貢米種植面積達(dá)170 km2。

1.2 土壤采樣與數(shù)據(jù)處理

于2014年10—11月在作物收割后，根據(jù)《測(cè)土配方施肥技術(shù)模式》，在充分考慮土壤類(lèi)型、成土母質(zhì)和地形條件的基礎(chǔ)上，遵循均勻性、代表性和連續(xù)性的原則，運(yùn)用“S”形采樣策略和多點(diǎn)混合的方法采集耕層(0～20 cm)土壤樣品，每個(gè)樣點(diǎn)采集1 kg土樣，4個(gè)重復(fù)樣本在該點(diǎn)周?chē)? m范圍內(nèi)采集，并運(yùn)用GPS詳細(xì)記錄該點(diǎn)的經(jīng)緯度、成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型和海拔等信息，共獲取100個(gè)耕層土壤樣品。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，帶回實(shí)驗(yàn)室磨碎過(guò)篩，采用乙酸銨浸提—原子吸收分光光度法測(cè)定土壤速效鉀含量[7]。數(shù)字高程模型(digital elevation model， DEM)如圖1-a所示，分辨率30 m，通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)獲取。

受采樣及化學(xué)分析誤差的影響，土壤速效鉀含量測(cè)量結(jié)果存在離群值。采用拉依達(dá)準(zhǔn)則法[4]對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除離群值，得到剔除后有效樣點(diǎn)96個(gè)(圖1-b)。高程、坡度、坡向、曲率、坡度變率和坡向變率均由數(shù)字高程模型通過(guò)ArcGIS 10.2表面分析模塊進(jìn)行分析和提取，各地形因子的計(jì)算公式詳見(jiàn)文獻(xiàn)[23]。土壤AK根據(jù)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分析標(biāo)準(zhǔn)分為6級(jí)，1～6級(jí)分別對(duì)應(yīng)極高(>200 mg·kg-1)、豐富(>150～200 mg·kg-1)、中等(>100～150 mg·kg-1)、較低(>50～100 mg·kg-1)、低(>30～50 mg·kg-1)和極低(≤30 mg·kg-1)。成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型為定性變量，采用啞變量[4，16]進(jìn)行賦值。

1.3 模擬精度評(píng)價(jià)

采用交叉驗(yàn)證評(píng)價(jià)OK和COK的預(yù)測(cè)精度。交叉驗(yàn)證利用每個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)周?chē)c(diǎn)對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將該點(diǎn)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。以均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均相對(duì)誤差(MRE)對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)際采樣值進(jìn)行對(duì)比分析，得出精度評(píng)價(jià)結(jié)果，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

圖1 研究區(qū)數(shù)字高程模型和樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Maps of DEM and sample points in study area

描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析和回歸分析在IBM SPSS statistics 22.0中實(shí)現(xiàn)，半變異函數(shù)分析在GS+9.0中實(shí)現(xiàn)，OK和COK插值通過(guò)ArcGIS 10.2實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

2.1.1 土壤速效鉀

研究區(qū)土壤速效鉀值域范圍為33.46～164.84 mg·kg-1，均值為82.04 mg·kg-1。根據(jù)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)速效鉀含量為4級(jí)，屬于較低水平，勉強(qiáng)能滿足當(dāng)?shù)馗厣a(chǎn)需要。因部分地區(qū)土壤鉀素盈余或不足，以及耕作技術(shù)措施差異，同時(shí)考慮耕地復(fù)種指數(shù)和化肥施用比例不協(xié)調(diào)等原因，建議重視土壤鉀素保育[7]。研究區(qū)土壤速效鉀的最大值與最小值之比為4.93，表明研究區(qū)土壤鉀素分布極不平衡，變異系數(shù)為30.49%，屬于中等變異。Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗(yàn)的結(jié)果表明，土壤速效鉀含量符合正態(tài)分布。

2.1.2 土壤類(lèi)型與成土母質(zhì)

土壤類(lèi)型反映區(qū)域條件的綜合變化，因成土過(guò)程、礦物組成和發(fā)育程度不同，土壤速效鉀存在空間異質(zhì)性[7，16]。由表1可知，不同類(lèi)型土壤速效鉀均值差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)出水稻土>紅壤的總體趨勢(shì)。這主要是由于水稻土受長(zhǎng)期人為活動(dòng)施鉀肥的影響[4]，導(dǎo)致其速效鉀均值要高于紅壤。各土屬中，以潴育型潮砂泥田均值最高，達(dá)到100.88 mg·kg-1，鱔泥紅壤最低，為73.95 mg·kg-1。

成土母質(zhì)的礦物分解是土壤鉀素的基本來(lái)源，不同成土母質(zhì)因土壤團(tuán)聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性、物理化學(xué)組成和風(fēng)化淋溶進(jìn)程等引起土壤速效鉀變異[24]。從表2可以看出，成土母質(zhì)對(duì)土壤速效鉀有顯著(P<0.05)影響。不同母質(zhì)間土壤速效鉀含量為61.10～92.04 mg·kg-1，其中，以白堊紀(jì)紫色泥頁(yè)巖類(lèi)風(fēng)化物發(fā)育而來(lái)的土壤速效鉀均值含量最高，而紫色砂礫巖類(lèi)風(fēng)化物最低。白堊紀(jì)紫色泥頁(yè)巖一般含碳酸鈣，呈中性或微堿性反應(yīng)，有機(jī)質(zhì)含量低，但磷、鉀豐富；酸性結(jié)晶巖類(lèi)風(fēng)化物以殘積物和坡積物為主，質(zhì)地主要為黏壤土，土壤保水保肥能力強(qiáng)，土壤速效鉀含量也相對(duì)較高；紫色砂礫巖類(lèi)風(fēng)化物易風(fēng)化，水土流失嚴(yán)重，因此土壤速效鉀較低[7，24]。其他研究也得到類(lèi)似結(jié)論[16]。

表1不同土壤類(lèi)型速效鉀描述性統(tǒng)計(jì)特征

Table1Descriptive statistic characteristics of soil available potassium relative to soil types

土類(lèi)Soil group亞類(lèi)Subgroup土屬Soil family樣點(diǎn)數(shù)Sample No.均值Mean/(mg·kg-1)SD/(mg·kg-1)CV/%紅壤Red soil紅壤Red soil黃泥紅壤Yellow mud red soil584.84 b27.0131.84鱔泥紅壤Muddy red soil3673.95 c18.3624.83水稻土潴育型水稻土潴育型潮砂泥田Breeding type tidal mud field8100.88 a29.7629.50Paddy soilWaterloggogenic潴育型黃泥田Breeding yellow mud field1489.61 b20.8023.21type paddy soil潴育型鱔泥田Breeding muddy field3382.66 b27.5233.29

SD，標(biāo)準(zhǔn)差；CV，變異系數(shù)。同列數(shù)據(jù)后無(wú)相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

SD， Standard deviation; CV， Coefficient variation. Data marked without the same letters indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

表2不同成土母質(zhì)土壤速效鉀描述性統(tǒng)計(jì)特征

Table2Descriptive statistic characteristics of soil available potassium relative to parent materials

成土母質(zhì)Parent material樣點(diǎn)數(shù)Sample No.均值Mean/(mg·kg-1)SD/(mg·kg-1)CV/%紫色泥頁(yè)巖類(lèi)風(fēng)化物Purple mud shale weathering1492.04 a29.6232.18第四紀(jì)紅色黏土Quaternary red clay2989.72 a26.2029.20河流沖積物River alluvial1081.78 b14.6417.90泥質(zhì)巖類(lèi)風(fēng)化物Mudstone weathering1269.57 b13.6919.68酸性結(jié)晶巖類(lèi)風(fēng)化物Acidic crystalline rock weathering589.74 a19.9022.18碳酸巖類(lèi)風(fēng)化物Carbonate weathering2175.15 b24.3232.36紫色砂礫巖類(lèi)風(fēng)化物Purple glutenite weathering561.10 c10.8917.82

2.1.3 土壤速效鉀與影響因素的相關(guān)性分析

從表3可以看出，土壤速效鉀與pH的相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.258，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)土壤速效鉀隨pH降低而逐漸增加，這與其他區(qū)域研究結(jié)果一致[25]。土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)與速效鉀相關(guān)性同樣達(dá)極顯著水平(P<0.01)，且相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.602，表明CEC與AK呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，CEC越高，土壤速效鉀越容易累積。高程與土壤速效鉀的相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.414，高程越高處土壤受到的沖刷侵蝕越嚴(yán)重，土壤速效鉀越易流失，而地勢(shì)低洼處速效鉀易隨地表物質(zhì)積聚[7]。土壤速效鉀與其他地形因子，如坡度、坡向、曲率、坡度變率、坡向變率的相關(guān)性不顯著，可能與鄱陽(yáng)湖平原區(qū)有關(guān)，地形因子本身的變異較小。同時(shí)，本研究獲取的DEM數(shù)據(jù)精度較低，其派生的地形變量精度也相對(duì)較低，這也會(huì)在一定程度上影響地形因子與土壤速效鉀的相關(guān)性[16]。

表3土壤速效鉀與pH、CEC和地形因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

Table3Pearson correlation coefficients of soil available potassium with pH， CEC， and terrain factors

指標(biāo)IndexrpH-0.258**CEC0.602**高程Elevation-0.414**坡度Slope-0.098坡向Aspect-0.072曲率Curvature0.18坡度變率Slope variability-0.073坡向變率Aspect variability-0.06

*，P<0.05; **，P<0.01.

2.1.4 土壤速效鉀與影響因素的回歸分析

為定量揭示成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型(亞類(lèi)和土屬)、高程、pH和CEC對(duì)研究區(qū)耕層土壤速效鉀空間變異的影響，對(duì)影響因素進(jìn)行回歸分析(表4)。結(jié)果表明：成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型(亞類(lèi)和土屬)、高程、pH和CEC對(duì)土壤速效鉀空間變異影響均達(dá)極顯著水平(P<0.01)。成土母質(zhì)對(duì)土壤速效鉀空間變異的影響程度較低，為8.3%，這與相關(guān)研究結(jié)果[16]一致。江葉楓等[12，16]研究表明，該區(qū)主要成土母質(zhì)包括白堊紀(jì)紫色泥頁(yè)巖、第四紀(jì)紅色黏土和幾種風(fēng)化物，多由花崗巖、石灰?guī)r和紫色砂巖經(jīng)風(fēng)化而成，巖性總體上較為一致，導(dǎo)致土壤機(jī)械組成相近[16]，成土母質(zhì)主要通過(guò)影響土壤機(jī)械組成來(lái)影響土壤速效鉀分異，因此，成土母質(zhì)對(duì)本研究區(qū)土壤速效鉀影響程度較低。土屬的影響程度要高于土類(lèi)和亞類(lèi)。江葉楓等[26]認(rèn)為，由于土屬較土類(lèi)和亞類(lèi)而言反映的成土過(guò)程、化學(xué)成分和生物活性等信息更多，因此影響程度更高。研究區(qū)pH介于4.5～7.0，當(dāng)pH值降低時(shí)，土壤膠體微粒表面所負(fù)電荷也減少，導(dǎo)致K+吸附量隨之增加。陳洋等[7]研究表明，在酸性環(huán)境中K+運(yùn)移量較少，固定量增多。CEC基本上代表了土壤可能保持的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量，其影響因素包括土壤膠體類(lèi)型、土壤質(zhì)地和pH值，這些都是影響土壤速效鉀變異的因素。因此，CEC對(duì)土壤速效鉀變異影響程度較高。

2.2 土壤速效鉀的半變異函數(shù)分析

表5給出了土壤速效鉀半變異函數(shù)擬合結(jié)果。

表4不同因素對(duì)土壤速效鉀的回歸分析

Table4Regression analysis of soil available potassium with affecting factors

影響因素FactorF決定系數(shù)R2調(diào)整決定系數(shù)Adjusted R2P成土母質(zhì) Parent material1.9130.0920.083<0.01土壤類(lèi)型 Soil group土類(lèi) Soil group5.4180.0710.066<0.01亞類(lèi) Subgroup5.4180.0710.066<0.01土屬 Soil family6.2980.0850.080<0.01高程 Elevation12.6900.1690.165<0.01pH4.9060.0650.059<0.01CEC30.3760.3560.354<0.01

表5土壤速效鉀的半變異函數(shù)值

Table5Semivariance parameters for soil available potassium

土壤屬性Soil properties模型Model塊金值Nugget基臺(tái)值Partial sill塊金效應(yīng)Ratio of nuggest to sill/%變程Range/km決定系數(shù)Determination coefficient殘差Residual速效鉀AK指數(shù)Exponential260.54560.0046.532.640.6581.37×10-4

基于最大的擬合系數(shù)和最小的殘差得到土壤速效鉀的最佳擬合模型為指數(shù)模型，塊金值為260.54，說(shuō)明存在由實(shí)驗(yàn)誤差和田間采樣等人為因素造成的空間變異，塊金效應(yīng)值為46.53%，表明速效鉀的空間變異受自然特征和人為活動(dòng)的共同影響，為中等程度的空間相關(guān)性[16-20]。

2.3 土壤速效鉀空間分布模擬

為直觀反映研究區(qū)土壤速效鉀的空間異質(zhì)性，在半變異函數(shù)的基礎(chǔ)上運(yùn)用OK、COK1、COK2和COK3對(duì)研究區(qū)土壤速效鉀進(jìn)行空間插值，用可視化圖作為手段來(lái)評(píng)估4種方法描述土壤速效鉀空間異質(zhì)性的能力。其中，COK1代表以CEC作為輔助變量進(jìn)行插值，COK2代表以CEC和pH作為輔助變量進(jìn)行插值，COK3代表以CEC、pH和高程同時(shí)作為輔助變量進(jìn)行插值。

交叉驗(yàn)證的精度評(píng)價(jià)結(jié)果(表6)表明，基于輔助變量的3種COK明顯優(yōu)于僅基于目標(biāo)變量的OK，COK1、COK2和COK3較OK的RMSE分別降低了1.03、1.92、4.86 mg·kg-1，MAE分別降低了1.10、2.21、5.37 mg·kg-1，MRE分別降低了1.41、2.74、5.50個(gè)百分點(diǎn)?；谳o助變量的COK預(yù)測(cè)精度得到了較為明顯的提高。從表6還可以看出，隨著輔助變量增加，COK的精度也在相應(yīng)提升。這一方面表明增加與目標(biāo)變量相關(guān)的輔助變量協(xié)助空間插值可以提高精度，另一方面也說(shuō)明運(yùn)用多個(gè)輔助變量較單個(gè)輔助變量精度更高，后期研究中可以適當(dāng)增加輔助變量個(gè)數(shù)以提高預(yù)測(cè)精度。

從圖2可以看出，OK、COK1、COK2和COK3對(duì)研究區(qū)土壤速效鉀的模擬均表現(xiàn)出“西北部高、東南部低”的總體趨勢(shì)，這與數(shù)字高程模型的空間變化較吻合，比較符合地學(xué)分布規(guī)律。從空間分布模擬效果看，4種方法模擬的局部特征差異明顯。OK得到的空間分布模擬結(jié)果較平滑，高低值界限較清晰，難以準(zhǔn)確地表達(dá)土壤速效鉀的空間異質(zhì)性，預(yù)測(cè)值域范圍58.83～121.83 mg·kg-1，與統(tǒng)計(jì)分析值有較大差距。COK1運(yùn)用相關(guān)性最強(qiáng)的CEC作為輔助變量進(jìn)行空間插值，預(yù)測(cè)精度較OK有所提升，但空間分布模擬效果提升不明顯，從預(yù)測(cè)范圍(63.59～109.48 mg·kg-1)和均值(78.59 mg·kg-1)來(lái)看，COK1預(yù)測(cè)更趨向于均值，平滑效應(yīng)明顯，難以較清晰地刻畫(huà)土壤速效鉀的空間異質(zhì)性信息。COK2在COK1的基礎(chǔ)上引入pH作為輔助變量進(jìn)行協(xié)同插值，不僅預(yù)測(cè)精度有所提升，在空間異質(zhì)性信息描述方面也有很大提升。COK2預(yù)測(cè)土壤速效鉀值域介于58.19～122.08 mg·kg-1，比較接近統(tǒng)計(jì)分析值，預(yù)測(cè)的空間分布模擬圖高低值呈塊狀分布，同時(shí)出現(xiàn)了較多高值區(qū)域包含低值或低值區(qū)域包含高值部分，能更詳細(xì)地描述土壤速效鉀的空間異質(zhì)性。COK3預(yù)測(cè)結(jié)果高低值呈塊狀分布，空間連續(xù)性較其他3種方法有所增強(qiáng)，插值精度明顯提高，能刻畫(huà)更多速效鉀空間異質(zhì)性的細(xì)節(jié)信息，土壤速效鉀為突變而非漸變，且預(yù)測(cè)范圍為36.78～124.31 mg·kg-1，與描述性數(shù)據(jù)分析結(jié)果最為接近。

表6不同方法精度對(duì)比

Table6Precision comparison of different methods

方法MethodsRMSE/(mg·kg-1)MAE/(mg·kg-1)MRE/%OK25.1119.2625.23COK124.0818.1623.82COK223.1917.0522.49COK320.2513.8919.73

3 討論

本研究表明，研究區(qū)土壤速效鉀普遍較低，空間分布受自然特征和人為活動(dòng)及其協(xié)同作用的共同影響，但空間變異主要是由人為活動(dòng)導(dǎo)致的。Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明pH、CEC和高程與土壤速效鉀相關(guān)性達(dá)極顯著水平。單因素方差分析結(jié)果表明，不同成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型的土壤速效鉀差異顯著，不同因素的影響程度由大到小依次為CEC>高程>成土母質(zhì)>土壤類(lèi)型(亞類(lèi)和土屬)>pH。以3個(gè)輔助變量協(xié)同進(jìn)行空間插值的COK3模擬精度最高，空間分布表現(xiàn)出“西北部高、東南部低”的總體趨勢(shì)，空間異質(zhì)性描述方面更加符合研究區(qū)實(shí)際情況和地學(xué)分布規(guī)律。

圖2 不同方法的土壤速效鉀空間分布預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.2 Maps of soil available potassium by different methods

研究區(qū)耕層土壤速效鉀均值為82.04 mg kg-1，含量處于較低水平，與孫凱等[27]、江葉楓等[28]和劉雪梅等[29]對(duì)鄱陽(yáng)湖平原區(qū)的研究結(jié)果較為接近。從不同地貌類(lèi)型看，均值要低于川西山區(qū)耕地[21]、秦嶺山地區(qū)[30]和黃土高原區(qū)[20]。從不同土地利用類(lèi)型來(lái)看，也要低于川中丘陵植煙區(qū)[25]、江南茶區(qū)[31]和冬小麥-夏玉米輪作區(qū)[32]，同時(shí)也低于福建省耕地[33]和江蘇省農(nóng)田[34]。這表明研究區(qū)土壤速效鉀的分異可能是由于地貌類(lèi)型和土地利用方式引起的。鄱陽(yáng)湖平原區(qū)水熱資源豐富，基巖風(fēng)化、分解速率快，淋溶作用強(qiáng)烈，同時(shí)作為中國(guó)的商品糧基地，其土地利用強(qiáng)度也必然較大，土壤中鉀素?fù)p失嚴(yán)重。

由于土壤屬性獲取的昂貴性與費(fèi)時(shí)性，為了得到精確的土壤屬性空間分布，應(yīng)充分考慮影響土壤屬性空間分布的因素及土壤屬性的空間自相關(guān)性[28]。目前，地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的克里格插值方法基于半變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，在考慮空間自相關(guān)的基礎(chǔ)上對(duì)未知采樣區(qū)域的土壤屬性進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估值，廣泛應(yīng)用于土壤屬性的空間異質(zhì)性研究[10-16]。OK只簡(jiǎn)單地考慮被預(yù)測(cè)土壤屬性的空間自相關(guān)，僅關(guān)注于目標(biāo)變量，而沒(méi)有充分利用影響土壤屬性空間分布的各種因素，相比之下，COK可以利用與目標(biāo)變量相關(guān)性較好的輔助變量來(lái)提高目標(biāo)變量的估測(cè)精度，能充分考慮影響目標(biāo)變量的其他因子，將目標(biāo)變量的空間自相關(guān)性和輔助變量間的交互相關(guān)性結(jié)合起來(lái)用于無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)，因而更有利于提高估測(cè)精度，這與前人研究結(jié)果一致[13-14]。本研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于平原區(qū)，單個(gè)的輔助變量可能會(huì)在土壤屬性異質(zhì)性描述方面存在一定的偏見(jiàn)，而增加輔助變量的個(gè)數(shù)可以更加詳細(xì)地刻畫(huà)其異質(zhì)性，在后期研究中應(yīng)注意這一現(xiàn)象。

一般認(rèn)為，耕地土壤速效養(yǎng)分含量受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)影響較大[7]。半變異函數(shù)分析結(jié)果表明，研究區(qū)土壤速效鉀空間變異受自然特征和人為活動(dòng)及其協(xié)同效應(yīng)的共同作用[4]。成土母質(zhì)和土壤類(lèi)型是土壤速效鉀空間分異的自然特征，對(duì)土壤速效鉀空間變異影響程度顯著。黏土礦物是土壤鉀素供應(yīng)的初始來(lái)源。形成各種土壤類(lèi)型的基巖、黏土礦物、成土母質(zhì)等類(lèi)型不盡相同，母質(zhì)遺傳了基巖礦物特性，并構(gòu)成了鉀素有效性的載體[35]。盡管土壤鉀素的供應(yīng)潛力受制于自然特征，但自然特征在一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生顯著變化[4]，因此研究區(qū)土壤速效鉀空間變異主要是由于人為活動(dòng)導(dǎo)致的。施肥、灌溉、翻耕，以及復(fù)種指數(shù)等均會(huì)引起土壤速效鉀空間變異，然而輸入與輸出并非均衡，因此不同地區(qū)含量也有所差異。

本研究基于COK3統(tǒng)計(jì)表明，AK含量處于4級(jí)的面積為87.41%，而第二次土壤普查結(jié)果顯示3級(jí)及以上的面積為55.97%，表明研究區(qū)絕大部分耕地土壤速效鉀含量下降程度較大?？紤]到鄱陽(yáng)湖平原區(qū)是商品糧基地，為維持土壤和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，建議調(diào)控復(fù)種指數(shù)，增加有效鉀施用。